无线通信需求的飞速发展与频谱资源的日益稀缺这一对矛盾必然使认知无线电技术成为未来通信网络关键技术之一,因此认知无线电技术具有非常广阔研究和应用前景。然而在认知无线电发展的近十年里,相对于目前研究较为成熟的频谱检测算法,对频谱检测机制的研究却不多见。由于认知无线电应用环境的特殊性,使得单纯凭借物理层的频谱检测算法是无法达到提高频谱利用率的目的,必须有相应的频谱检测机制有效地指导认知用户对频谱资源进行检测。同时通过频谱检测后所发现的频谱空洞如何合理、可靠的分配给认知用户接入使用,即频谱资源分配问题同样也是认知无线电技术能否真正实现提高频谱利用率和避免对主用户产生干扰目的的关键。本文以认知无线电网络(CRN)为背景,深入研究了频谱检测机制和频谱资源分配问题。在频谱检测机制方面,主要考虑了实际频谱环境的不确定性及信道所处衰落级别对认知用户选择可用信道所造成的影响;而在频谱资源分配问题上,考虑到认知网络中用户(包括主用户和次用户)的自私性,如何确保资源分配的合理性、可靠性和公平性是研究的重点。论文的主要贡献如下:(1)研究了认知网络环境中信道状态检测的不确定性。由于认知用户无法通过频谱检测算法获得认知网络中信道状态的准确信息,从而导致认知用户根据这种不准确信息进行频谱接入时对主用户产生干扰,或者无法在选择的信道上完成传输任务。针对这种情况,提出一种基于部分可测马尔科夫决策过程(Partially Observable Markov Decision Process,POMDP)模型的新型多无线电信道状态预测算法。该算法通过采用POMDP模型对这种环境的未知性进行建模,同时结合多无线电技术来设计认知用户的频谱检测过程用以避免对主用户的干扰,由此认知用户能根据模型推断出下一个工作时隙中信道所处状态的最大可能性,并以此作为下一个检测时隙检测信道排序的依据。(2)进一步研究了认知用户频谱检测的节能问题。由于认知用户可能的频谱扫描范围较大,同时受到硬件条件、移动性等因素制约使得其在实际操作过程中必须考虑节能问题。为了提高检测效率以节约能量,在第一部分的研究基础上,结合有限状态马尔科夫信道(FSMC)模型,进一步提出一种基于POMDP模型的多无线电信道搜索机制。该机制通过POMDP模型对信道忙闲状态和衰落级别的预测推断来为下一个检测时隙中认知用户扫描信道的排序提供依据,从而达到降低能耗的目的。(3)在认知网络中往往存在多个认知用户,因此如何保证频谱资源分配的有效性和公平性也是认知无线电技术所要解决的关键问题之一。针对传统频谱资源分配中可能存在的自私用户提供虚假信息以欺骗其他用户来最大化自身利益的问题,设计一种基于博弈论中维克瑞-克拉克-格罗夫斯(Vickrey-Clark-Groves,VCG)机制,并结合考虑认知网络用户优先级的两段式频谱资源分配策略来鼓励用户提供真实信息,以有效地避免由于虚假信息给频谱资源分配带来的不公平性,从而增强频谱资源分配的合理性和可靠性。(4)随着硬件成本的降低,一个认知用户可能配备多个无线电收发设备用以同时对频谱进行检测和接入。而面对多个可用信道,传统的信道分配方法显然已不适用。针对这个问题,采用非合作用户博弈理论分析和证明了单冲突域情况下多无线电多信道分配问题达到纳什均衡所需满足的条件,并在此基础上研究了信道分配的公平性。同时设计了相应的多无线电多信道分配算法来确保多无线电条件下频谱资源分配的有效性和公平性。